Идеальная производительность в недорогих полупроводниках

Крошечные, простые в производстве частицы, называемые квантовыми точками, могут вскоре занять место более дорогих монокристаллических полупроводников в передовой электронике, используемой в солнечных панелях, датчиках камер и медицинских инструментах визуализации. Хотя квантовые точки начали проникать на потребительский рынок - в виде телевизоров с квантовыми точками, - им мешала давняя неопределенность в отношении их качества. Теперь новая методика измерения, разработанная исследователями из Стэнфордского университета, может, наконец, развеять эти сомнения.

"Традиционные полупроводники - это монокристаллы, выращенные в вакууме в особых условиях. Мы можем производить их в больших количествах, в колбах, в лаборатории, и мы показали, что они не уступают лучшим монокристаллам ", - сказал Дэвид Ханифи, аспирант химического факультета Стэнфорда и соавтор статьи, написанной об этой работе, опубликованной 15 марта в Science.

Исследователи сосредоточились на том, насколько эффективно квантовые точки переизлучают поглощаемый ими свет, что является одним из показателей качества полупроводников. В то время как предыдущие попытки определить эффективность квантовых точек намекали на высокую производительность, это первый метод измерения, который уверенно показывает, что они могут конкурировать с монокристаллами.

Эта работа является результатом сотрудничества между лабораториями Альберто Саллео, профессора материаловедения и инженерии в Стэнфорде, и Пола Аливисатоса, заслуженного профессора нанонауки и нанотехнологий Samsung в Калифорнийском университете в Беркли, который является пионером в области исследований квантовых точек и старшим автором статьи. Аливисатос подчеркнул, что методика измерения может привести к разработке новых технологий и материалов, которые требуют тщательного изучения эффективности наших полупроводников.

"Эти материалы настолько эффективны, что существующие измерения не позволяют определить, насколько они хороши. Это гигантский скачок вперед ", - сказал Аливисатос. "Когда-нибудь это может позволить применять материалы с эффективностью люминесценции значительно выше 99 процентов, большинство из которых еще не изобретены".

От 99 до 100

Возможность отказаться от необходимости в дорогостоящем производственном оборудовании - не единственное преимущество квантовых точек. Еще до этой работы были признаки того, что квантовые точки могут приблизиться или превзойти производительность некоторых из лучших кристаллов. Они также легко настраиваются. Изменение их размера приводит к изменению длины волны излучаемого ими света, что является полезной функцией для цветовых приложений, таких как маркировка биологических образцов, телевизоров или компьютерных мониторов.

Несмотря на эти положительные качества, небольшой размер квантовых точек означает, что для выполнения работы одного большого идеального монокристалла могут потребоваться миллиарды таких точек. Создание такого количества таких квантовых точек означает больше шансов на неправильный рост, больше шансов на дефект, который может снизить производительность. Ранее методы, позволяющие измерить качество других полупроводников, предполагали, что квантовые точки излучают более 99 процентов света, который они поглощают, но этого было недостаточно, чтобы ответить на вопросы об их потенциальной дефектности. Для этого исследователям нужна была методика измерения, более подходящая для точной оценки этих частиц.

"Мы хотим измерить эффективность излучения в диапазоне от 99,9 до 99,999 процентов, потому что, если полупроводники способны переизлучать в виде света каждый поглощенный ими фотон, вы сможете заниматься действительно интересной наукой и создавать устройства, которых раньше не существовало", - сказал Ханифи.

Методика исследователей включала проверку избыточного тепла, выделяемого квантовыми точками, находящимися под напряжением, а не только оценку светового излучения, поскольку избыточное тепло является признаком неэффективного излучения. Этот метод, обычно используемый для других материалов, никогда не применялся для измерения квантовых точек таким образом, и он был в 100 раз точнее, чем те, которые другие использовали в прошлом. Они обнаружили, что группы квантовых точек надежно излучали около 99,6 процента поглощаемого ими света (с потенциальной погрешностью в 0,2 процента в любом направлении), что сопоставимо с лучшими излучениями монокристаллов.

"Было удивительно, что пленка со многими потенциальными дефектами так же хороша, как и самый совершенный полупроводник, который вы можете сделать", - сказал Саллео, который является соавтором статьи.

Вопреки опасениям, результаты показывают, что квантовые точки поразительно устойчивы к дефектам. Методика измерения также является первой, позволяющей четко определить, как различные структуры квантовых точек сравниваются друг с другом - квантовые точки с ровно восемью атомными слоями специального материала покрытия излучают свет быстрее всего, что является показателем превосходного качества. По словам Аливисатоса, форма этих точек должна определять дизайн новых светоизлучающих материалов.

Совершенно новые технологии

Это исследование является частью серии проектов в рамках Исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики, под названием "Фотоника на термодинамических границах". Целью центра под руководством Дженнифер Дионн, адъюнкт-профессора материаловедения и инженерии в Стэнфорде, является создание оптических материалов - материалов, которые влияют на поток света - с максимально возможной эффективностью.

Следующим шагом в этом проекте является разработка еще более точных измерений. Если исследователи смогут определить, что эффективность этих материалов достигает 99,999% или выше, это открывает возможности для технологий, которых мы никогда раньше не видели. К ним могут относиться новые светящиеся красители для улучшения нашей способности рассматривать биологию в атомном масштабе, люминесцентное охлаждение и люминесцентные солнечные концентраторы, которые позволяют относительно небольшому набору солнечных элементов получать энергию от большой площади солнечного излучения. При всем при этом измерения, которые они уже установили, сами по себе являются важной вехой, которая, вероятно, будет способствовать более немедленному ускорению исследований и приложений квантовых точек.

"Люди, работающие над материалами с квантовыми точками, более десяти лет думали, что точки могут быть такими же эффективными, как монокристаллические материалы, - сказал Ханифи, - и теперь у нас наконец есть доказательства".